从零开始的生物钟：科学家如何构建计时细胞

这项近期发表于《自然-通讯》的研究由生物工程学教授Anand Bala Subramaniam与化学及生物化学教授Andy LiWang共同领导。第一作者Alexander Zhang Tu Li在Subramaniam实验室获得博士学位。

生物钟——又称昼夜节律——调控着睡眠、新陈代谢等重要生理过程的24小时周期。为探究蓝藻昼夜节律的运作机制，研究人员在名为囊泡的简化细胞样结构中重建了时钟系统。这些囊泡装载了核心时钟蛋白，其中一种蛋白被标记了荧光示踪剂。

人造细胞持续发出规律的24小时节律荧光至少四天。但当减少时钟蛋白数量或缩小囊泡体积时，节律性发光就会停止。这种节律丧失遵循可复现的模式。

研究团队通过计算模型解释这些现象。模型显示更高浓度的时钟蛋白会使节律更稳定，即使囊泡间蛋白含量存在微小差异，仍能确保数千个囊泡保持同步计时。

模型还指出自然昼夜系统的另一组件——负责基因开关调控——虽对维持单个时钟影响有限，但对群体时钟同步至关重要。

研究人员同时发现部分时钟蛋白易附着于囊泡壁，这意味着必须维持较高的蛋白总量才能确保正常功能。

"本研究表明，我们可以通过简化的合成系统来解析和理解生物计时核心原理。"Subramaniam表示。

俄亥俄州立大学生物钟专家、微生物学教授Mingxu Fang评价道："Subramaniam和LiWang领导的这项工作推进了生物钟研究方法论。蓝藻生物钟依赖的缓慢生化反应本身存在噪声，学界认为需要大量时钟蛋白来缓冲这种噪声。这项新研究引入了在模拟细胞尺寸的可调囊泡内观察重构时钟反应的方法，这个强大工具能直接测试不同体积生物体为何采取不同计时策略，从而深化我们对生命形式中生物计时机制的理解。"

Subramaniam现任生物工程系教授兼健康科学研究院(HSRI)研究员。LiWang担任化学与生物化学系教授，同为HSRI研究员，同时是美国微生物学院院士，并荣获2025年蛋白质学会Dorothy Crowfoot Hodgkin奖。

研究经费来自Subramaniam获得的美国国家科学基金会材料研究部CAREER奖项，以及LiWang获颁的美国国立卫生研究院和美国陆军研究办公室资助。LiWang还获得加州大学默塞德分校NSF CREST细胞与生物分子机器中心奖学金支持。